寬帶放大器在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。在測量與控制電路中,，寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號通常不是規(guī)則的正弦信號,，且輸出電壓范圍往往變化很大,，這就需要后級放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益，因此,，這里提出一種以壓控增益放大器VCA822為核心的可編程寬帶放大器,，可實現(xiàn)通頻帶為100 Hz～15 MHz，放大器增益為10～58 dB,，6 dB步進(jìn)可調(diào),。該設(shè)計可通過矩陣式鍵盤設(shè)置放大器增益，液晶顯示器顯示輸出電壓,，人機(jī)界面友好,。
1 放大器設(shè)計及工作原理
設(shè)計一個通過鍵盤設(shè)置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器,。放大器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配,，使輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級。該系統(tǒng)設(shè)計分為寬帶放大,、峰值采樣,、人機(jī)交互等3個模塊。
寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實現(xiàn),。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器,，最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定,?？刂齐妷旱妮敵鍪怯蓡纹瑱C(jī)運(yùn)算并控制D／A轉(zhuǎn)換器而輸出的，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的數(shù)控,。另外,，放大器后級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB,，另一檔為衰減檔,，通過一個控制端口，實現(xiàn)信號在這兩檔位之間選擇,。這種方法的優(yōu)點在于條理清晰,，控制方便，易于單片機(jī)處理,。
針對峰值采樣,，采用數(shù)字檢波，即通過高速A／D轉(zhuǎn)換器對輸出的正弦信號進(jìn)行采樣，判斷一定時間內(nèi)采集到的數(shù)字信號的最大值,，該最大值即為該信號的峰值,。而這種通用數(shù)字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對系統(tǒng)設(shè)計要求中的高頻信號,，以及某些特定頻率信號,，將產(chǎn)生一定誤差。采用雙頻數(shù)字峰檢對信號進(jìn)行采樣,，這種方案可有效避免產(chǎn)生誤差,。
在上述兩模塊的基礎(chǔ)上實現(xiàn)AGC的功能。峰值檢波測得的電壓值反饋回單片機(jī),，單片機(jī)對寬帶放大電路實現(xiàn)放大精確控制,。通過這種方式可將輸出信號的峰值穩(wěn)定在4．8 V左右。該系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖如圖1所示,。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2．1 VCA822簡介
該系統(tǒng)采用VCA822型寬帶壓控增益放大器,。在控制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益,，且按V／V線性變化,，其基本增益
。其中VC是控制電壓輸入,。電壓基本增益為(V／V),。利用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算可控制以dB為單位的對數(shù)增益。給VCA822提供控制電壓的D／A轉(zhuǎn)換器為MAX541,，其位數(shù)為16 bit,，因而準(zhǔn)確實現(xiàn)增益步進(jìn)。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制,，因此選用該器件實現(xiàn)系統(tǒng)的可變增益,。
2．2 系統(tǒng)增益分配
放大器其他部分固定增益為34 dB，由中間級OPA699和后級功放共同提供,。在測試過程中,，發(fā)現(xiàn)VCA822的控制電壓范圍為-1～l V，且該器件為±5 V供電,，輸出電壓峰峰值不能大于4 V,，否則輸出波形失真。為了盡量提高輸入電壓的動態(tài)范圍,，實現(xiàn)放大器增益可調(diào),，將VCA822設(shè)計為放大器前級,，且增益的控制在0～24 dB可選,，輸出信號接OPA699構(gòu)成的同相放大。經(jīng)單片機(jī)控制，與后級兩個檔位選擇性級聯(lián),。兩檔位的增益分別為0 dB,、-24 dB。從而能夠?qū)崿F(xiàn)最小增益10 dB,，最大增益58 dB的9級可調(diào),。
2．3 放大電路
前級輸入利用MAX477設(shè)計射級跟隨器，使得輸入電阻趨近于無窮大,，從而提高輸入阻抗,。與VCA822通過電容耦合，其控制電壓由MAX54l輸出,。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范同為O～Vref,，故在D／A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個減法器，輸出范圍為-l～+1 V,，MAX54l的參考電壓由MAX6225提供,。VCA822后級接入OPA699，OPA699為高增益,、高擺率寬帶運(yùn)放,。其工作帶寬可達(dá)到l 000 MHz，采用該器件設(shè)計增益G為12的放大器,，完全滿足帶寬為15 MHz的要求,。之后為通過電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)設(shè)計的兩檔衰減電路，一檔衰減O dB,，一檔衰減24 dB,，由模擬開關(guān)MAX333控制選通。最后利用電流型,、高擺率的運(yùn)算放大器AD8l1和分立元件設(shè)計的后級推挽功放實現(xiàn)功率放大,，放大倍數(shù)G為+4，并增大負(fù)載能力,。電路實現(xiàn)原理圖如圖3所示,。
為了提高電路的穩(wěn)定性，此電路采用一系列的抗干擾措施,。其中包括每片器件的供電部分采用4．7μF和104 pF的電容進(jìn)行電源濾波,，各級放大器間的信號輸入輸出采用屏蔽線進(jìn)行連接，數(shù)字地和模擬地之間采用電感隔離,。
2．4 后級功率放大電路
為了增加系統(tǒng)負(fù)載能力,，考慮到運(yùn)算放大器AD811自身負(fù)載驅(qū)動能力的限制，這里選用AD8l1配合高頻中小型功率對管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(兩功率管特征頻率fT=300 MHz)搭建0CL功率放大器,。前級由AD811組成同相放大器,，放大倍數(shù)為Av=1+Rf／R3,；后級選用功率對管擴(kuò)流構(gòu)成甲乙類功率推挽輸出形式提供負(fù)載驅(qū)動電流。經(jīng)實驗測試,，輸出端接50 Ω負(fù)載時,，無失真的最大輸出電壓峰對峰值達(dá)到18 V。電路原理圖如圖4所示,。
2．5 數(shù)字檢波
本設(shè)計中的峰值檢波電路基于信號頻譜搬移理論,，由于A／D轉(zhuǎn)換器在單一采樣率進(jìn)行采樣時會出現(xiàn)盲區(qū)頻段，故以2個特殊頻率(雙頻)先后對信號進(jìn)行采樣,，提取采樣結(jié)果中的最大值即可得到周期信號峰值,。這種方法可兼顧高低頻，適合應(yīng)用于該系統(tǒng)100 Hz～15 MHz的情況,。采用A／D轉(zhuǎn)換器MAXl97,，利用2個采用率f=50．000 kHz，f2=50．005 kHz互補(bǔ)采樣盲區(qū),，可得到良好采樣效果,。設(shè)置A／D采樣率的方波信號由FPGA提供。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計思想,。采用模塊化設(shè)計思想,，要對某一子控制器控制，只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可,。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計,，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，并向上提供處理數(shù)據(jù),，且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分,；最后，主程序只需調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可方便構(gòu)建系統(tǒng),。
本系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)組成,，其中主要包括系統(tǒng)初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理,。該設(shè)計功能實現(xiàn)以鍵盤的按鍵中斷為主線,，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)中與FPGA中對應(yīng)的控制模塊以總線的方式進(jìn)行及數(shù)據(jù)的交換,，觸發(fā)FPGA內(nèi)相應(yīng)的控制時序,，實現(xiàn)對信號的放大和測量。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示,。
4 數(shù)據(jù)測試
該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號源,、雙蹤示波器、仿真機(jī),、交流電壓表進(jìn)行測試,。調(diào)節(jié)輸入信號的頻率,，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值。測試結(jié)果表明,，放大器的放大倍數(shù)在10～58 dB內(nèi)9級可調(diào)，-3 dB點為100 Hz～15 MHz,，且放大效果穩(wěn)定,。對于放大器的AGC功能，將輸入信號頻率固定,，改變電壓大小,，輸入信號峰值為9 mV～1 V時，可將輸出信號穩(wěn)定在峰值為4．5～5 V的電壓范同內(nèi),，故AGC動態(tài)范圍大于40 dB,。預(yù)置放大器放大倍數(shù)58 dB時，輸入端接地,，輸出噪聲電壓小于10 mV,。
5 結(jié)論
該系統(tǒng)設(shè)計是以VCA822為核心的可控增益寬帶放大器。經(jīng)測試,，系統(tǒng)通頻帶為100 Hz～15 MHz,，增益10～58 dB內(nèi)9級可調(diào)，且放大器AGC功能的動態(tài)范圍大于40 dB,。此外,，系統(tǒng)輸入端采用MAX477接成同相放大電路，使得系統(tǒng)輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級,。后級AD811和分立元件搭建的功率放大電路,，提高了系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。系統(tǒng)還采用多種抗干擾措施,，有效保證放大器精度,，并具有良好噪聲和線性。